如何剪切管材：薄壁管和厚壁管的工艺措施与区别

管材剪切方法大致可以分为塑性加工和机械加工（切削或磨削）两大类。与切削或磨削方法相比，管材塑性加工剪切具有加工速度快，生产效率高，切口毛刺小，少无切削等优点，但模具结构比较复杂。塑性加工剪切方法按是否产生切屑又可分为有切屑的冲切法和无切屑的剪切法，按管材是否静止不动可分为静止剪切法和移动式剪切法^[3]。在剪切工艺上，薄壁管（管壁厚3mm以下）和厚壁管着重解决的问题各不相同。薄壁管剪切时为防止管壁被压扁而采取的工艺措施比较复杂，而厚壁管重点在于保证剪切断面精度。下面分别介绍几种常用的管材剪切方法。

1.冲切法

冲切法如图2-1-9所示，凹模作用于管材的外侧，沿其圆周方向开有较窄的沟槽，采用板状V形尖头的凸模在此沟槽内进行冲切^[3]。此方法由于不使用芯棒，可以实现高速化，且生产中往往采用移动式冲切方式，即只需移动管材即可进行下次冲切。

对于单层冲切法，随着管材的厚度增加，特别是采用移动式冲切方式时，冲切后切屑随凸模上升，阻碍管材的进给，往往影响连续生产。为此，采用如图2-1-10所示的结构，在凹模内安装了弹性挡料销（相当于普通冲裁中的打料杆）即可解决这一问题^[3]。

图2-1-9 管材冲切法

图2-1-10 厚壁管冲切法

图2-1-11是冲切法所用凸模形状^[4]。采用图b所示凸模切断时，管子上部的1/4废料先被切断并掉入管子内。对于厚度小于3mm、直径小于50mm的薄壁管，所用凸模的厚度及凹模之间的缝隙取3～4mm。

图2-1-11 冲切法凸模形状

冲切法冲切薄壁管时，将出现管子被压扁和管壁歪斜的缺陷。前者主要采取预先将管子压成桃形的措施；后者主要和刀刃尖端角度有关，刀刃顶角越小则管材歪斜也越小，但如果管材偏厚时，刀刃产生崩刃的危险就增大。一般刀刃顶角的角度不小于30°。

2.双重冲切法

图2-1-12所示的为双重冲切法^[5]。这种方法是先在第一道工序中利用刨刀在水平方向将管材刨出一切口，然后在第二道工序中利用活动薄刀刃切入切口。由于切屑向两侧外部流出，从而避免了使管材产生歪斜的作用力。

图2-1-12 双重冲切法

此方法适合于大批量生产，不足之处是刨切切口及底部冲切时会产生少量毛刺和歪斜。另外，由于第一道工序的切口加工所限制，对管壁太厚的管材不适用。因为有切屑而使材料利用率下降，所以更适合于长度大的管材切断。但是如果剪切铝制窗框这类挤压型材或轧制的槽形型材，由于在其断面上已有开口的部分，就可以用这种开口来代替第一道切口工序，这样就可以在普通压力机上用剪切模一道工序完成冲切。另外，对具有封闭曲线断面的管材，也可以先用切削或磨削的方法加工出切口，然后再采用冲切法切断，用这种方法可以放宽对管材壁厚的限制。

3.移动式双重冲切法

图2-1-13所示为移动式双重冲切法^[3]，先由第一旋转刀刃在管材上冲一缺口，紧接着第二旋转刀刃完成管材的冲切，此两旋转刀刃被装在由推力球轴承带动的、与管材进给速度同步旋转的刀架上。实际上，当最大进管速度为140mm/s时，可实现每分钟冲切150根管子的高速冲切生产（最短管长910mm）。

4.芯棒剪切法

这是一种利用在管内放置芯棒来防止管材被压扁的方法，如图2-1-14所示。图中活动芯棒安装在活动刀刃上，两者连成一体。从模具结构和制件取出的角度来说，这种方法适用于剪切长度较短的管材。

5.芯棒双重剪切法^[3]

此方法是为了消除切口面左右两端部的缺陷而提出的。所谓芯棒双重剪切法就是在芯棒放置在管中的状态下，利用使模具相对地上下左右微微错动以及偏心旋转的办法，一部分一部分地进行剪切，以防止产生上述缺陷。

图2-1-13 移动式双重冲切法

图2-1-14 管材芯棒剪切法

由于芯棒的使用，必然存在制件不易顶出的问题。为此，可采用如图2-1-15所示的机构（Vulcan Tools公司专利），将活动芯棒巧妙地装在送料侧的固定芯棒上，并设有在剪切终了后能及时返回规定位置的机构，然后利用送进的料来顶出制件，此方法称为梭式送料法。如果管子内径与固定芯棒基座外径之间的间隙过大，右侧筒形送料器与管材的接触不均匀，管材送入时易造成弯曲。为此，通常管子内径与固定芯棒基座外径之间的间隙取管子壁厚的1.5倍以下，而固定芯棒基座长度4.2～6m，这样就意味着在此长度上的管子坯料的弯曲和内径精度满足上述间隙值的要求，所以说此方法更适合于内径精度高、弯曲较小的管子，如低碳钢管。

最近，汽车排气管大多采用不锈钢管。与低碳钢管相比，电焊不锈钢管热传导率低，弯曲过大，无法使用上述设备进行剪切。

为此，将上述设备中固定芯棒基座反装到左边，使送料和取料在同一方向进行，同时送料器不采用筒状而使用实心锥体。这样送料时靠锥体斜面导入，管子端部和送料器不需紧密配合，固定芯棒基座外径只需取管径的75%即可。改进后的设备可以剪切包括不锈钢管在内的各种精度较低的管材。

图2-1-15 芯棒双重剪切法

上述设备均采用批处理方式生产，ϕ50mm左右的钢管每分钟可剪切30～80个。

6.活动芯棒剪切法^[5]

为提高管材的剪切精度，可在管内放置芯棒来防止管材被压扁，其中之一就是上述的芯棒双重剪切法。但是，此方法活动刀刃的移动量受限，不适合于厚壁管剪切。为此，常采用如图2-1-16所示的活动芯棒剪切法，管材的供给或送进料由活动芯棒侧进行，这样就可以使用通常的模具和设备进行剪切。

图2-1-16 活动芯棒剪切法

此方法的关键是活动芯棒的采用。虽然芯棒可以活动，但剪切时由于剪切摩擦力的作用可防止活动芯棒后退。而且，为了防止送料时因跳动而引起芯棒后退，在活动芯棒上安装O形环或者带有弹簧的钢球压在管子内壁，即使管材产生轻微的后退也能够在下次送料时进行补正。

此方法的要点是芯棒和模具之间间隙值的取法。因为剪切使管材切口的歪斜被限制在芯棒和模具之间，如果间隙值取得过大，则切口的歪斜就加大。反之，如果间隙值过小，则送料困难。为此，将活动刀刃一侧的间隙值取得比固定刀刃一侧的间隙值大一些，或靠活动刀刃一侧的芯棒端部倒角以便于送料。但是如果因管材本身的尺寸精度不高而需放大间隙，切口就会产生较大的歪斜。因此，此方法只适用于内径精度较高的管材剪切。

7.变直径芯棒剪切法^[3]

此方法是在活动芯棒法的基础上进行改进，使其更适合于内径精度较低的管材剪切，并可大大提高切口面的精度。

图2-1-17所示为变直径芯棒剪切法模具结构及工艺过程。管材⑬的送入靠滚子⑫导入，为便于管材送入，此时制件和管坯两侧的芯棒③、④均处于缩径状态（工序1）。然后往气缸⑦、⑧内通入压缩空气推动楔面⑤、⑥移动，从而使芯棒直径变大而与管材内径紧密配合（工序2）。在此状态下活动刀刃下落进行剪切（工序3），剪切后活动刀刃侧气缸⑧卸压，楔面⑥靠弹簧压力返回到初始位置而使芯棒直径缩小，制件和芯棒④之间产生间隙，由气孔⑪通入压缩空气而使制件脱模。最后，活动刀刃上升，管坯侧气缸卸压、芯棒③直径缩小，开始重复送料。

图2-1-17 变直径芯棒剪切法模具结构及工艺过程

图2-1-18所示为芯棒与管材内径的间隙值G和管材内径变化关系。活动芯棒剪切时（G=0.2mm，G=0.4mm），芯棒与管材内径之间间隙值越大，制件压扁程度越严重。与此相比，变直径芯棒法（G=0mm）剪切后制件切口面几乎接近圆形。(www.xing528.com)

图2-1-18 芯棒与管材内径的间隙值与管材内径变化关系

8.其他管材剪切法^[3]

如图2-1-19所示，此方法与深拉深或挤压加工的圆筒修边法相似，称为旋转辊剪切法，主要用于管子断面加工。旋转辊的运动机构与辊轧机相同。剪切时只有一侧装入芯棒，因而管子直径会有些变化或产生歪斜，但是由于沿全周慢慢地进行剪切，管材切口面较好。这种方法只适用于剪切圆柱形管材且管壁不能太厚。

图2-1-20所示的是利用旋转的V形滚轮压入管壁进行切断的方法。用这种方法切断管材圆度较好，但切口面易倾斜，切薄壁管时会产生毛刺，切厚壁管时在管子外周产生隆起。

对于厚壁管，也有采用将管材表面刻出V字槽后，再利用回转弯曲引起的疲劳破坏将管子切断的方法。

图2-1-19 旋转辊剪切法

图2-1-20 利用旋转辊的冲切

二、型材的剪切

常用的型材如图2-1-21所示。型材剪切的特点是剪切过程中不能使型材的形状改变，这是设计模具时必须遵守的原则。

图2-1-21 常用的型材

冲切图2-1-21a所示型材常用的切断模结构^[2]如图2-1-22所示。模具具有和型材形状相同的定模1和动模2。静止状态，定模和动模同位，为了型材送进通畅，动模和定模的型孔比型材各部分尺寸放大0.3～0.5mm。剪切时，借助于压力机滑块下行，推动动模下行而将型材切断分离。

冲切图2-1-21b所示型材常用的切断模结构^[2]如图2-1-23所示。模具具有和型材形状相同的一部分的上模3和下模4及压板1，剪切时，借助压力机滑块下行，上压板2通过压板1首先压紧型材，压力机滑块继续下行时，上模3与下模4刃口使型材切断分离。

图2-1-22 型材切断模（一）

1—定模 2—动模

另外，对于图2-1-24所示的零件^[7]，可成功地采用轴向加压精密剪切新技术，精确地剪切出相对长度很小的薄件，其方法是预先用挤压、拉拔或轧制等工艺制成所需断面形状的型材，然后在一定的轴向压力下剪切成所需的精密零件。图2-1-25所示是与通常用板料精冲方法生产的片状零件的对比。该项新技术的最大优点在于材料利用率很高，剪切件尺寸精确，棱角清晰，无塌角，而且剪切件的相对厚度越大越有利，这些正好弥补了精冲件的不足，它可在一定范围内取代板料精冲法。

图2-1-23 型材切断模（二）

1—压板 2—上压板 3—上模 4—下模

图2-1-24 精密成形件实例

图2-1-25 精密剪切加工方法的比较

a）轴向加压精密剪切 b）板料精密冲裁

片状零件的轴向加压精密剪切的主要矛盾是整体畸变，为此，需要施加足够大的轴向压力。矩形截面型材精密剪切所需的最小轴向压力可用下式估算^[7]

P_x=p_xA₀（2-1-9）

式中p_x——平均轴向单位压力（MPa）；

P_x——总轴向力（N）；

R_eL——材料下屈服强度（MPa）；

A₀——型材的原始横截面积（mm²）；

H——矩形高度（mm）；

L——矩形宽度（mm）；

c₁——材料抗剪强度与抗拉强度的比值，对于常用金属材料，可取c₁≈0.7～0.8；

c₂——材料下屈服强度与抗拉强度的比值，对于常用金属材料，可取c₂≈0.5～0.8。

对于复杂断面型材，可以把它看成是由若干矩形的或非矩形的简单断面组合而成的，后者又可以按其相当的剪切高度简化成矩形截面，然后分区计算并叠加，即可求得整个复杂截面型材所需的轴向压力。

图2-1-26 不同剪切方向上的剪切力—行程曲线

图2-1-26所示为不同剪切方向上实际测得的剪切力-行程曲线^[7]，从图中曲线可以看出：当H/L最小时，P亦最低。

因而，为保证剪切质量，并尽可能减小力能消耗，应正确选定型材的剪切方向。一般地说，最有利的断面取向应是使实际的H/L最小。